阅读说明：本技术 基于微波-光频调制转移技术的铯微波原子钟及实现方法 (Cesium microwave atomic clock based on microwave-optical frequency modulation transfer technology and implementation method ) 是由 陈景标 潘多 刘天宇 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种基于微波-光频调制转移技术的铯微波原子钟及实现方法,包括：铯原子真空系统、激光系统、光电信号探测系统、微波频率源、相位调制器和综合电路系统；微波频率源与相位调制器相连接；相位调制器与电路综合系统和铯原子真空系统相连接；光电信号探测系统连接电路综合系统,再连接微波频率源；应用原子介质钟微波与光频之间调制转移探测得到误差信号,得到用于晶体振荡器频率锁定的色散型误差信号。本发明具有钟跃迁谱线信噪比高的优势,直接获得色散型误差信号,无需外部锁相放大器调制解调,有效减小系统体积及复杂度,减小噪声干扰,实现钟激光频率的高精度锁定,极大提高原子钟的信噪比和稳定度。(The invention discloses a cesium microwave atomic clock based on a microwave-optical frequency modulation transfer technology and an implementation method, wherein the cesium microwave atomic clock comprises the following steps: the system comprises a cesium atom vacuum system, a laser system, a photoelectric signal detection system, a microwave frequency source, a phase modulator and a comprehensive circuit system; the microwave frequency source is connected with the phase modulator; the phase modulator is connected with the circuit integrated system and the cesium atom vacuum system; the photoelectric signal detection system is connected with the circuit integrated system and then connected with the microwave frequency source; and modulating, transferring and detecting between the microwave and the optical frequency of the atomic medium clock to obtain an error signal, and obtaining a dispersion type error signal for locking the frequency of the crystal oscillator. The invention has the advantage of high signal-to-noise ratio of the clock transition spectral line, directly obtains the dispersion type error signal, does not need modulation and demodulation of an external phase-locked amplifier, effectively reduces the volume and the complexity of a system, reduces noise interference, realizes high-precision locking of clock laser frequency, and greatly improves the signal-to-noise ratio and the stability of an atomic clock.)

基于微波-光频调制转移技术的铯微波原子钟及实现方法

技术领域

本发明属于时间频率标准技术领域，涉及一种利用微波-光频调制转移技术实现高性能铯原子微波钟的方法及铯微波原子钟，通过钟跃迁谱线的信噪比大幅度提高微波原子钟的稳定度。

背景技术

原子钟是以原子内部能级间的量子跃迁频率作为参考，通过将晶体振荡器或激光频率锁定至原子跃迁频率，输出标准频率信号的系统，具有非常高的频率准确度。作为一级时间频率标准，铯原子钟广泛用于地面守时授时、时间频率计量、电信网络时钟同步和卫星导航与定位等，是独立时间频率系统的核心设备。优质铯原子钟的应用涉及很多领域或行业，如军事、科研、计量、航空、航天、通讯、气象、资源、环境、大地测量等。

为了实现高稳定度的铯原子钟，在保证微波跃迁谱线线宽的基础上，需要进一步地提高铯原子钟的信噪比。目前现有的实现铯原子钟的方案主要包括磁选态，磁选态光探测，光抽运光探测三种，其中，光探测基于拉比(Rabi)或拉姆塞(Ramsey)的探测方式得到钟跃迁谱线信号。但是，现有采用的铯原子钟的钟跃迁谱线信噪比相对较低，且反馈环路锁定精度不高，这都不利于铯原子钟稳定度指标的进一步提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于微波-光频调制转移技术的铯微波原子钟的产生装置，基于铯原子微波-光频调制转移探测，进一步提高钟跃迁谱线信号信噪比，从而提高铯原子钟信噪比，实现铯原子钟稳定度指标的进一步提高。

本发明将调制转移谱运用到微波铯原子钟中，结合光频拉姆塞探测方案，对微波信号进行相位调制，通过微波和光频分别与原子相互作用，将调制信息转移到852nm探测激光上，通过高调制频率下低噪声本底的特性获得高信噪比的色散型误差信号，直接用于伺服反馈晶体振荡器频率，极大提高原子钟的信噪比和稳定度，从而实现一种全新的基于微波-光频调制转移技术的铯原子钟及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种基于微波-光频调制转移技术的铯微波原子钟，包括：

1.铯原子真空系统，包括铯原子炉，微波谐振腔。

2.852nm激光系统，包括激光频率稳定系统，用以提供抽运和探测激光。

3.光电信号探测系统，用以探测激光信号得到微波共振谱线。

4.微波频率源，包括压控振荡器和频率综合器，用以产生与铯原子基态超精细能级跃迁共振的微波频率的微波信号。

5.相位调制器，对微波频率进行相位调制，与现有传统调制的区别在于，采用正弦波对微波频率进行相位调制，而非传统装置中采用方波进行频率调制，同时调制频率相比传统装置有大幅增长。

6.综合电路系统，包括扫描信号模块、误差信号模块和伺服反馈模块，用以产生微波频率的扫描信号；误差信号模块，通过相位解调、PID(Proportional-Integral-Differential)调节等手段提供误差信号；伺服反馈模块，通过高速伺服反馈电路控制压控振荡器的频率，使得微波频率源始终保持与原子共振状态。

上述基于微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟装置中，微波频率源与相位调制器相连接，之后相位调制器与电路综合系统和铯原子真空系统相连接，852nm激光系统产生的抽运光和探测光作用于从铯原子真空系统前后窗口出射的铯原子，随后由光电信号探测系统探测到共振谱线信号。光电信号探测系统连接电路综合系统，之后连接到微波频率源。

上述基于微波-光频调制转移技术的铯微波原子钟，应用原子介质钟微波与光频之间调制转移探测方案得到误差信号，可以直接得到用于晶体振荡器频率锁定的色散型误差信号，不需要外部锁相放大器等复杂的调制解调电路。具体实施中，对微波频率源进行相位调制时，调制频率和钟跃迁谱线线宽在同一量级。

本发明的另一个目的在于提出一种基于微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟的制备方法，其步骤包括：

1)微波频率源输出9.192GHz微波信号，并利用综合电路系统产生的扫描信号对微波信号进行频率扫描，灌入铯原子真空系统内的微波谐振腔，与铯原子真空系统内的铯原子相互作用；

2)由852nm激光系统输出稳频的852nm抽运光与探测光，分别在铯原子真空系统的腔前、后窗口对铯原子进行抽运和探测。由光电信号探测系统探测相互作用后的共振谱线信号，该谱线信号为Ramsey谱线信号。

3)采用相位调制器对微波频率源所产生的微波信号进行相位调制，经调制后的微波信号与铯原子相互作用后，通过烧孔效应，铯原子将调制信息转移到探测激光上，被光电信号探测系统探测到。

4)将光电探测系统探测到的信号输入到综合电路系统中进行调制解调，此过程中，相位调制器的驱动信号同时输给综合电路系统，得到色散型的调制转移谱信号，该调制转移谱信号经综合电路系统中的高速伺服反馈模块产生伺服信号，反馈至微波频率源中的压控振荡器，以控制钟微波的频率，实现微波频率的锁定。

通过上述步骤，制备得到基于微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟。

上述制备得到基于微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟各步骤中，步骤3)相位调制的频率为步骤2)中的共振谱线信号线宽的0.5-1.0倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

与通常的激光相比，本发明的基于微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟的主要特点是：

本发明创新地提出应用于铯原子束的微波与光频之间调制转移探测方案，利用高调制频率下更小的噪声本底特征来提高钟跃迁谱线的信噪比和钟稳定度，从而实现高稳定度铯原子微波钟。此方案在原理上彻底改变了铯微波原子钟的实施路径，通过极大地提高信噪比实现高精密的钟跃迁调制转移谱，有望将铯原子钟的稳定度在现有基础上再提高一个量级。本发明的技术优势主要包括：

1)创新地提出应用于铯原子束的微波与光频之间调制转移探测方案，通过高调制频率下低噪声本底的特性提高钟跃迁谱线的信噪比和钟稳定度，从而实现高稳定度铯原子微波钟；

2)该发明可以直接得到用于晶体振荡器频率锁定的色散型误差信号，不需要外部锁相放大器等复杂的调制解调电路，可有效减小系统体积和复杂度，并在一定程度上减小系统电路噪声引入的干扰；

3)该发明不只局限于铯原子的调制转移探测，还可应用在其他微波原子钟上，比如铷原子钟等。

因此，本发明提出的微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟具有钟跃迁谱线信噪比高的优势，同时可直接获得色散型误差信号，不需要外部锁相放大器等复杂的调制解调电路，有效减小系统体积及复杂度，并减小系统电路引入的噪声干扰，得到钟激光频率的高精度锁定，极大提高原子钟的信噪比和稳定度。

附图说明

图1为本发明实施例中基于微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟产生装置的结构示意图；

其中：1－铯原子真空系统，2－852nm激光系统，3－光电探测系统，4－微波频率源，5－相位调制器，6－综合电路系统。

虚线为光路部分，实线为电路连接部分。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案进行详细地描述。

基于微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟产生装置的结构如图1所示，制备基于微波-光频调制转移探测的铯微波原子钟主要包括如下步骤：

1)微波频率源4输出的与铯原子两个基态超精细结构间跃迁共振的9.192GHz微波信号，利用综合电路系统产生的扫描信号对微波频率进行频率扫描，灌入铯原子真空系统内的微波谐振腔，与铯原子两次相互作用形成Ramsey谱线；

2)将852nm激光器频率锁定至铯原子6S_1/2-6P_3/2跃迁，形成852nm激光系统2。出射激光通过分光镜分为两束，分别在铯原子束管的前、后窗口对原子进行抽运和探测，由光电信号探测系统3探测相互作用后的Ramsey谱线信号；

3)采用相位调制器5对微波频率源4所产生的微波信号进行相位调制，调制频率为上一步骤钟所探测谱线线宽的0.5-1.0倍。经调制后的微波信号与原子相互作用后，通过烧孔效应，原子将调制信息转移到探测激光上，被光电信号探测系统3探测到；

4)采用综合电路系统6中的解调电路部分对光电探测系统3探测得到的信号以及相位调制器5的驱动信号进行解调，得到色散型的解调信号，随后此信号通过综合电路系统6中的PID控制电路进行调整，得到误差信号。

5)将误差信号作用于微波频率源4中的压控振荡器以控制器输出频率，最终使得微波频率源4输出频率和铯原子基态两个超精细能级间的跃迁频率严格相等，即锁定在铯原子跃迁频率上。随后通过外界频率比对系统评估铯原子钟的稳定度及准确度。

在本发明实施例中应用于铯原子束的微波与光频之间调制转移探测方案的特征是对微波频率源进行相位调制，通过烧孔效应将调制频率转移到光频跃迁，并产生色散型的钟跃迁谱线，通过高调制频率下低噪声本底的特性提高钟跃迁谱线的信噪比和钟稳定度，从而实现高稳定度铯原子微波钟。本发明在此情形下与传统的铯原子微波钟利用较低频率调制微波频率源并由探测光探测由于原子布局数变化而得到的Ramsay钟跃迁谱线相区别。另外，本发明并不局限于铯原子的调制转移探测，还可应用在其他微波原子钟上，比如铷原子钟等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。